貴陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 張吉婷

基于TMS320F2812為控制核心的交流伺服系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

貴陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 張吉婷

隨著微處理器技術(shù)、電力電子技術(shù)、電機(jī)制造技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，交流伺服系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣。本文控制電路的核心為TMS320F2812，功率驅(qū)動(dòng)電路的核心為FSBB20CH60，完成了交流伺服系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)，包括電流采樣及故障保護(hù)在內(nèi)的硬件部分電路，具備了設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)緊湊、控制精確等優(yōu)點(diǎn)。

交流伺服系統(tǒng)；數(shù)字信號(hào)處理器；采樣電路；故障檢測(cè)保護(hù)

引言

隨著微處理器技術(shù)和伺服技術(shù)的迅猛發(fā)展，伺服驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)入了交流全數(shù)字式的時(shí)代。本文設(shè)計(jì)了基于TMS320F2812為控制核心的交流伺服控制系統(tǒng)，為今后對(duì)交流伺服系統(tǒng)的深入研究打下基礎(chǔ)。

1 交流伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

交流伺服控制系統(tǒng)主要由主控制電路、啟動(dòng)電路、信號(hào)檢測(cè)電路、故障信號(hào)邏輯保護(hù)電路、I/O接口電路、供電電路等部分組成，如圖1所示。

圖1 交流伺服系統(tǒng)硬件框圖

圖2 系統(tǒng)啟動(dòng)電路圖

2 硬件電路部分

2.1 TMS320F2812處理器

TMS320F2812（簡(jiǎn)稱DSP2812）是TI公司推出的基于TMS320C28×內(nèi)核的高性能32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，它專門為電機(jī)控制設(shè)計(jì)[2]。其特點(diǎn)主要有：低功耗、處理數(shù)據(jù)速度快、內(nèi)存容量大還有多樣化的數(shù)據(jù)接口等。

在圖1中，TMS320F2812控制器主要負(fù)責(zé)控制模、數(shù)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行檢測(cè)，通過PID控制來調(diào)節(jié)電流和速度。驅(qū)動(dòng)智能功率模塊(IPM)時(shí)，控制器利用空間矢量算法得到PWM控制信號(hào)后，經(jīng)由光耦傳感電路驅(qū)動(dòng)IPM。

系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障時(shí)，檢測(cè)電路檢測(cè)到故障信號(hào)后立即傳遞給控制器，可以立即處理故障信號(hào)，并封鎖PWM控制信號(hào)的輸出，實(shí)現(xiàn)保護(hù)作用。

圖3 電流采樣電路圖

圖4 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路圖

2.2 基于FSBB20CH60的功率模塊

FSBB20CH60是飛兆公司設(shè)計(jì)開發(fā)的智能功率模塊（IPM）。該模塊熱阻極低，采用600V-15A三相IGBT逆變器，內(nèi)置門極驅(qū)動(dòng)和功率器件保護(hù)用控制集成電路，提供了無需光耦的單電源IGBT門極驅(qū)動(dòng)能力[3]。

2.3 啟動(dòng)電路

為避免電路剛啟動(dòng)時(shí)有很大的瞬時(shí)電流，減少對(duì)功率驅(qū)動(dòng)部分的沖擊，設(shè)計(jì)了啟動(dòng)電路。在電路通電時(shí)，通過光耦元件的關(guān)斷和繼電器動(dòng)作時(shí)的體現(xiàn)的繼電特性來緩沖對(duì)電路的沖擊，如圖2所示。

2.4 信號(hào)檢測(cè)單元設(shè)計(jì)

信號(hào)檢測(cè)電路是交流伺服控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制必不可少的環(huán)節(jié)，是控制系統(tǒng)的電流和速度信號(hào)反饋回路。本硬件設(shè)計(jì)的信號(hào)檢測(cè)單元主要有電流采樣電路、永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子位置轉(zhuǎn)速檢測(cè)等電路。

2．4．1 電流采樣電路

為了簡(jiǎn)化采樣過程，交流永磁同步電機(jī)定子電流信號(hào)的采集可以充分利用自身聯(lián)接的特點(diǎn)來進(jìn)行。采用星形接法時(shí)，要得到三相定子電流信號(hào)只需要利用電流傳感器采集定子三相電流中的兩相即可。采集到定子電流信號(hào)之后，傳感器輸出采樣電流信號(hào)，轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，最后輸出到DSP2812的模／數(shù)轉(zhuǎn)換部分進(jìn)行算法控制，如圖3所示。

2．4．2 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路

在伺服控制系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，為實(shí)時(shí)判斷電機(jī)轉(zhuǎn)速是否正常，防止電機(jī)轉(zhuǎn)速失常引起損壞的現(xiàn)象，需要實(shí)時(shí)檢測(cè)獲知轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速信息。在速度控制時(shí)，進(jìn)行矢量控制算法運(yùn)算，通過采集位置信息進(jìn)行轉(zhuǎn)速計(jì)算。

本系統(tǒng)采用了自帶增量式光電編碼器的永磁電機(jī)進(jìn)行位置檢測(cè)，并采用衰減小、抗干擾能力強(qiáng)的TTL方波長(zhǎng)線差分驅(qū)動(dòng)方式，可傳輸較遠(yuǎn)的距離[4]。編碼器信號(hào)通過長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)器SN75175D將差分信號(hào)轉(zhuǎn)化為單路信號(hào)傳入DSP。如圖4所示。

2.5 故障檢測(cè)和保護(hù)單元設(shè)計(jì)

2．5．1 過壓失壓保護(hù)電路

過壓失壓保護(hù)電路實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)中電壓信號(hào)的狀態(tài)。當(dāng)電壓出現(xiàn)異常時(shí)該電路立即將故障信息傳遞給控制器，從而及時(shí)處理，實(shí)現(xiàn)保護(hù)系統(tǒng)安全。

2．5．2 故障保護(hù)電路

檢測(cè)電路檢測(cè)到異常的電流或電壓信號(hào)時(shí)，立刻傳遞給控制器進(jìn)行處理。產(chǎn)生的所有的故障保護(hù)信號(hào)，經(jīng)光耦元件隔離干擾信息后，通過與門的邏輯運(yùn)算判斷出高低電平再輸出到DSP。PWM信號(hào)立刻封鎖，保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)。所有的故障信號(hào)低電平有效，正常情況下均處于高電平狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)PDPINTA引腳電平被拉低，所有PWM輸出都被置為高阻狀態(tài)，保障系統(tǒng)安全。統(tǒng)具有廣泛的實(shí)用價(jià)值，非常適合應(yīng)用于電機(jī)控制領(lǐng)域。

[1]崔鳳波．伺服技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)[J]．機(jī)電設(shè)備,2007, 24(4):5-8．

[2]蘇奎峰,蔡昭權(quán),呂強(qiáng)等．TMS320F281XDSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]．北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008:56．

[3]邵明雙,孫軍．變頻空調(diào)中基于FSBB20CH60的高性能功率模塊設(shè)計(jì)[J]．工業(yè)控制與應(yīng)用,2006,25(1):28-31．

[4]習(xí)勇．基于DSP的永磁交流伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D]．華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文,2008．

[5]袁秀平,李鶴一,方祖華,徐宏兵等．基于TMS320F2812的數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)[J]．機(jī)床與液壓,2009,37(9):182-184．

3 結(jié)論

本文在設(shè)計(jì)的以TMS32F2812為核心的交流伺服控制系

張吉婷（1987—），女，貴州貴陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向：嵌入式系統(tǒng)。